王 聰 王榕生

（福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350108）

1 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)

單相全橋逆變電源系統(tǒng)主電路如圖1所示。從圖1中可以看出，系統(tǒng)主要包括三相橋式不控整流、直流濾波、全橋逆變和輸出LC濾波部分。三相交流電通過三相橋式不控整流電路之后得到脈動的直流電壓，此脈動的直流電壓經(jīng)濾波電容濾波之后得到平穩(wěn)的直流電壓，該直流電壓就是逆變電路的母線電壓，直流母線電壓經(jīng)基于單極性正弦脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)的橋臂輪換法PWM新技術(shù)逆變，輸出電壓經(jīng)LC濾波電路濾波，得到的單相交流電供給負(fù)載。

圖1 系統(tǒng)主電路圖

2 單極性橋臂輪換法PWM 新技術(shù)實(shí)現(xiàn)

橋臂輪換法PWM新技術(shù)的控制原理，即在前一周期使逆變電路的其中一個橋臂為工頻方波信號控制，另一個橋臂為PWM波信號控制，在下一周期將兩個橋臂的控制方式對調(diào)，如此周而復(fù)始。這就使得全橋逆變器左右橋臂的開關(guān)器件在兩個周期內(nèi)具有相同的導(dǎo)通時間及開關(guān)狀態(tài)變化次數(shù)，帶來了顯著降低原有采用PWM控制的橋臂損耗的好處，均分了兩橋臂的發(fā)熱程度，利益是明顯的，對于提高ΙGBT開關(guān)器件應(yīng)用可靠性具有顯著意義。

三相橋式不控整流后脈動的直流電壓經(jīng)電容濾波后得到平穩(wěn)的直流電壓接到單相全橋逆變電路，并通過LC濾波將輸出接到工頻使用設(shè)備上。為使輸出電壓的波形為可靠的正弦波，單相全橋逆變器的4個開關(guān)器件必須通過合理的開通、關(guān)斷來控制，本文通過DSP實(shí)現(xiàn)的單極性橋臂輪換法PWM新技術(shù)來滿足該要求。

現(xiàn)階段生成SPWM波的單極性SPWM控制方法有兩種：單邊SPWM波控制法是只將給定的正弦半波作為調(diào)制波，并將正值的三角載波與其作比較；雙邊SPWM波控制法是將給定的完整的正弦波作為調(diào)制波，與此正弦波的正半周作比較生成SPWM波的為正三角載波，與此正弦波的負(fù)半周作比較生成SPWM波的為負(fù)三角載波[1]。本文采用雙邊SPWM波控制法，單極性橋臂輪換法PWM新技術(shù)原理波形如圖2所示。

圖2 單極性橋臂輪換法PWM 新技術(shù)原理波形

圖2中，1、2、3、4分別是全橋逆變器4個開關(guān)器件的開通、關(guān)斷波形；c為逆變器輸出端a點(diǎn)電位波形；Vb為逆變器輸出端b點(diǎn)電位波形；Vab為逆變器輸出電壓波形。

橋臂輪換法PWM新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也是基于沖量等效原理：大小、波形不相同的系列窄脈沖變量，作用于同一慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖量，即變量對時間的積分相等，其具有相同的作用效果[2]。因此，要使圖2中逆變器輸出電壓Vab的PWM電壓波在每一時間段都與該時段中正弦電壓等效，除每一時間段的面積相等外，每個時間段的電壓脈沖還必須很窄，這就要求脈波數(shù)量p很多。脈波數(shù)越多，不連續(xù)的按正弦規(guī)律改變寬度而幅值相同的多脈波電壓Vab(t)就越等效于連續(xù)的正弦電壓。對開關(guān)器件的通、斷狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時、適時的控制，使多脈波的矩形脈沖電壓寬度按正弦規(guī)律變化，就能得到近似的正弦波。

由圖1可知，a點(diǎn)的電位是通過左橋臂兩個ΙGBT控制的，當(dāng)T1開通T2關(guān)斷時，a點(diǎn)接直流母線電壓的正極，為高電位；相反，當(dāng)T2開通T1關(guān)斷時，a點(diǎn)接直流母線電壓的負(fù)極，為低電位。同理，當(dāng)T3開通T4關(guān)斷時，b點(diǎn)為高電位；T4開通T3關(guān)斷時，b點(diǎn)為低電位[3]。逆變器的輸出電壓：

式中，Vab為逆變器輸出端a點(diǎn)電位；Vb為逆變器輸出端b點(diǎn)電位；Vab為逆變器輸出電壓。

其一，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，提升發(fā)展質(zhì)量和效益。在談到人的發(fā)展時，馬克思反復(fù)強(qiáng)調(diào)人的全面發(fā)展不是自然的產(chǎn)物，而是歷史的產(chǎn)物，歸根結(jié)底是社會生產(chǎn)力的產(chǎn)物。人的發(fā)展是以人的生命存在為前提條件的，其吃喝住行等一系列基本需要，只能在生產(chǎn)力的發(fā)展過程中才能得到滿足，生產(chǎn)力的發(fā)展、交往的普遍性是個人全面發(fā)展的條件，也是人類實(shí)現(xiàn)自身全面發(fā)展的一條歷史必然道路。轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，在某種程度上就是要解放人和開發(fā)人，讓全體人民進(jìn)一步釋放勞動潛能，依靠創(chuàng)造性勞動實(shí)現(xiàn)人的個性自由和全面發(fā)展。

為使得到的逆變器輸出電壓波形等效于連續(xù)的正弦波電壓，就必須控制a、b點(diǎn)之間的電位關(guān)系，而a、b點(diǎn)的電位是通過實(shí)時、適時的控制左右橋臂開關(guān)器件的開通、關(guān)斷而得到的。因此，可以得出這樣的結(jié)論：通過控制單相全橋逆變器左右兩個橋臂4個開關(guān)器件實(shí)時、適時的通斷，能夠使得逆變器輸出電壓的波形按照我們設(shè)定的正弦規(guī)律變化，使輸出電壓近似于正弦波。

本文選用對稱規(guī)則采樣法來建立SPWM波信號的數(shù)學(xué)模型。

對稱規(guī)則采樣法以每個三角載波的對稱軸（本方案為底點(diǎn)對稱軸）為采樣時刻，該采樣時間已知，每個周期只采樣一次[4]。過三角載波的底點(diǎn)對稱軸與正弦波的交點(diǎn)，作平行于t軸的平行線，該平行線與三角載波的兩個腰的交點(diǎn)作為SPWM波開通和關(guān)斷的時刻，如圖3所示。其中Uc為三角載波峰值，UM為正弦波峰值，Tc為三角載波周期，M為調(diào)制度，Uon1、toff1是SPWM波的開通、關(guān)斷時間。

圖3 單極性對稱規(guī)則采樣法生成SPWM 波

由圖3可知，對同一橋臂而言，在正弦波的正半周，由三角形相似關(guān)系得

整理得

因此生成的SPWM波的脈寬為

令三角波頻率fC與正弦波頻率f之比為載波比N，因此有

式中，k為采樣序號。故

將式（6）代入式（3）得

所以在正弦波的正半周，開關(guān)器件的導(dǎo)通時間為ton。而在正弦波的負(fù)半周，導(dǎo)通時間

在一個周期內(nèi)開關(guān)器件導(dǎo)通時間公式不同，因此需要通過軟件處理。

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計中斷程序流程圖如圖4所示。

圖4 定時器下溢中斷子程序流程圖

本實(shí)驗(yàn)采用TΙ公司生產(chǎn)的型號為TMS320LF2407的DSP芯片，該芯片專門設(shè)計了兩個用于電動機(jī)控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個事件管理器模塊都包含兩個16位通用定時器；8個16位脈寬調(diào)制PWM輸出通道和可以防止上下橋臂直通的可編程死區(qū)功能[5]。本軟件設(shè)計的程序中，載波頻率設(shè)置為9kHz，DSP晶振為20MHz，內(nèi)部2倍頻，因此時鐘頻率為40MHz，計數(shù)周期為25ns。調(diào)制波頻率設(shè)為50Hz，調(diào)制度M為0.75，死區(qū)時間設(shè)為6.4μs，最小刪除脈寬設(shè)為4μs。定時器設(shè)為連續(xù)增減計數(shù)模式，下溢中斷，因此每個載波周期都將產(chǎn)生一次中斷，根據(jù)式（7）、（8）分別計算出下一個載波周期的比較值。

圖4所示的中斷子程序流程圖中：TEMP1為中間變量，隨采樣點(diǎn)數(shù)k的變化而變化；LH為判斷當(dāng)前輸出波形是PWM波還是工頻方波；CMPR1、CMPR2是事件管理器EVA模塊的比較寄存器，用于裝入比較值[6]。DSP輸出橋臂輪換法PWM新技術(shù)波形（同一橋臂）如圖5所示。

圖5 DSP 輸出橋臂輪換法PWM 波形

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)是將三相電經(jīng)整流濾波電路之后接單相全橋逆變器，并將逆變輸出電壓經(jīng)LC 濾波后得到正弦電壓，逆變器開關(guān)器件控制信號是按照單極性橋臂輪換法PWM 新技術(shù)原理編程并通過DSP 運(yùn)行得到。實(shí)驗(yàn)結(jié)果電壓波形如圖6所示。該輸出電壓頻率為50Hz，基波幅值為311V。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果電壓波形

單極性橋臂輪換法PWM新技術(shù)控制單相全橋逆變器輸出正弦電壓，理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該控制方法可行，輸出正弦電壓滿足工頻設(shè)備供電要求，且運(yùn)行安全可靠，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)證明全橋逆變器左右橋臂損耗相近或相同奠定了基礎(chǔ)。

[1] 趙青.一種基于單極性SPWM 控制的正弦波逆變器的研究[D].浙江大學(xué),2004.

[2] 陳堅,康勇.電力電子學(xué)電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2011.6.

[3] 楊春華.正弦波逆變電源的研究與設(shè)計[D].東華大學(xué),2009.

[4] 王曉明.電動機(jī)的DSP 控制 TΙ 公司DSP 應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.9.

[5] 劉和平,等.DSP原理及電機(jī)控制應(yīng)用基于TMS320LF240x系列[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[6] 陳桂玉,黃燦水,李東旭,湯寧平.基于DSP 的中頻發(fā)電機(jī)逆變單相工頻電源設(shè)計[J].電工電氣,2010(11):18-20,24.